CN103878101A - 用于湿式涂覆基质的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于湿式涂覆基质(12)的方法，其中，利用喷头(20)在所述基质(12)上涂敷层(18)并且在所述涂敷之后使所述层(18)干燥，其特征在于，所述喷头(20)包括至少两个喷嘴(32)，测量被涂敷的层(18)的层厚度(26、28)并且根据所述测得的层厚度(26、28)进行涂敷调节，其中，在每个喷嘴(32)中的压力相对于其它喷嘴(32)独立地被调节。本发明还涉及一种用于湿式涂覆基质(12)的装置(10)，其包括带有至少一个喷嘴(32)的喷头(20)、测量装置(22、24)和干燥器(30)。

Description

用于湿式涂覆基质的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于湿式涂覆基质的方法，其中，利用喷头在基质上涂敷层并且在涂敷之后使该层干燥。此外，本发明涉及一种用于湿式涂覆基质的装置，其包括带有至少一个喷嘴的喷头、测量装置和干燥器。

背景技术

在利用材料涂覆基质时常常有这样的需求，即，产生带有预定厚度的均匀的层。即，例如在加工锂离子电池电芯时，用活性材料涂覆电极的质量对于电池电芯的质量来说有重要意义。尤其地，电池电芯的容量及其泄漏与均匀的层厚度相关并且与仅在其理论值附近轻微变化地控制的层厚度相关。在电极涂覆中，将以所谓的浆状物(可流动的糊状物)的形式的电极的活性材料湿式地施加到电极的载体膜上。在锂离子电池电芯中，对于阳极来说常常施加以天然的和/或合成的石墨为基础的材料，并且在阴极中施加以不同的锂-金属-氧化物的组合为基础的材料。

为了涂覆基质，在将溶剂添加到浆状物中的情况下在混合过程中对活性材料进行预加工。在制造锂离子电池电芯的情况中，对于阳极材料来说通常应用水基的溶剂并且在制造阴极时使用以N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为基础的溶剂。在制造电极时，使用载体膜作为基质，该载体膜在阳极中通常由铜构成并且在阴极中通常由铝构成。在此，膜厚度在约10μm的范围中。被施加到膜上的材料的层厚度与电池电芯的设计方案有关并且例如在约20μm至200μm之间。

在湿式涂覆基质之后，在干燥炉中将其干燥，以便使溶剂从被涂覆的材料中挥发掉。这种涂覆方法通常连续地卷对卷地进行，其中，根据生产速度，干燥炉的长度通常在10m至30m之间。

在干燥之后，测量被施加的层的厚度。如果应利用材料涂覆基质的两侧，则该基质可紧接着被输送到另一涂覆步骤。被施加的层的厚度与多种过程参数相关，这些过程参数例如为浆状物的浓度、压力(以该压力将材料输送到喷头，利用该喷头将材料施加到基质上)、在喷头中的喷嘴的几何结构和基质的输送速度。如果在生产过程结束时测得与预定的理论层厚度不同的层厚度，则对一个或多个过程参数进行匹配，以修正被施加的层的厚度，从而使实际的层厚度尽可能围绕预定的理论值在±1μm的范围中。

从文献CN102125907中已知一种用于利用用于制造锂离子电池电芯的电极的活性材料来涂覆基质的装置。该装置包括涂覆装置和干燥器以及两个测量装置和一个控制设备。第一测量装置布置在涂覆装置之前并且用于测量在之前的涂覆步骤中被施加的层的厚度。第二测量装置布置在干燥器之后并且测量在完成干燥的基质上的层厚度。由控制设备使用两个测量装置的测量值以调节涂覆装置。在此，根据测得的层厚度控制涂覆材料的输送。

在现有技术中不利的是，为了调节层厚度仅能控制涂覆材料的输送。在材料输送中的变化影响在基质的整个宽度上的层涂敷并且不能补偿在涂覆时的缺陷，在其中材料涂敷不一致，也就是说在一个区域中比在其它区域中例如涂敷了更多的材料。此外，在干燥之后才测量被施加的层的厚度并且由此根据干燥器的长度在涂覆后约10m至30m时才进行测量。由此，在测量和过程参数匹配的有效性之间存在时间上的迟滞，其对所应用的调节机制有不利的作用。

发明内容

提出了一种用于湿式涂覆基质的方法，其中，利用喷头在基质上涂敷层，并且在涂敷之后使该层干燥，其中，喷头包括至少两个喷嘴，测量被涂敷的层的层厚度并且根据测得的层厚度进行涂敷调节，其中，在每个喷嘴中的压力相对于其它喷嘴独立地被调节。

在涂覆过程中，基质被输送到涂覆装置处并且首先经过喷头，利用该喷头将材料施加到基质上。在此，该材料溶解在溶剂中，该溶剂紧接着在干燥器中被蒸发。被涂敷的层的厚度通过测量装置获取。紧接着，将所测得的层厚度与预定的理论层厚度相比较并且当存在区别时，改变在喷嘴中的涂覆材料的压力。在此，在每个喷嘴中的压力能够单独地且独立于在其它喷嘴中的压力地被调整。

在本发明的一个实施方式中，在至少两个在基质的宽度上分布的测量位置上测量层厚度，其中，一个测量位置被分配给喷头的一个喷嘴。

测量位置分布在基质的宽度上并且使得可以评估被涂敷的层的均匀性。由于喷头的每个喷嘴将材料涂敷在基质的不同区域中，每个喷嘴负责在基质的层的确定的区域。为了调节该喷嘴合理的是，在这些基质区域的每个中也布置一个测量位置，从而为每个喷嘴提供至少一个测量位置并且由此提供层厚度的信息。

在方法的一个实施方式中，测量位置布置在这样的部位处，即，在该处由于喷嘴的几何结构希望得到在平均厚度之上或之下的层厚度。

该平均层厚度通常是预定的理论层厚度，并且例如可通过模拟或试验获得临界部位，在该临界部位上涂敷稍微在平均层厚度之上或之下的层。

在本发明的一个实施方式中，使用至少一个调节回路，其作为输入值包括理论层厚度和测得的层厚度，并且作为输出值产生用于喷头的喷嘴的压力的控制信号。

为了自动地进行调节，可使用任何对于本领域技术人员已知的调节方法。即，例如可设想，应用比例-积分-微分(PID)调节器，以匹配在喷嘴中的压力，使得实际的层厚度接近要求的理论层厚度。显然，也可设想其它调节器，例如比例-积分调节器或者例如比例调节器或积分调节器的单调节器。也可行的是，为每个单个的喷嘴执行特有的调节器。

在本发明的一个实施方式中，通过控制输送材料的泵和/或通过控制压力调节阀实现压力的调节。

优选地，根据调节部的控制信号来控制压力。除了控制输送材料的泵和/或控制压力调节阀，也可设想匹配湿式涂覆方法的其它过程参数。这种过程参数例如包括喷嘴相对于基质的距离，基质的输送速度和喷嘴的几何结构。

通过调节器可如此调节这些参数中的多个、尤其地在喷头的喷嘴中的压力，使得被涂敷的层的厚度围绕要求的理论层厚度在例如为±1μm的预定的公差范围之内。

在本发明的一个实施方式中，在干燥之前测量被涂敷的层的层厚度。

为此，将至少一个测量装置直接布置在喷头之后且在干燥器之前。为了能够操纵分布在基质的宽度上的多个测量位置，可设想的是，使用可动的测量头作为测量装置或者将多个测量头分布地布置在基质的宽度上。

在方法的实施方式中，被施加的层是用于电池的电极的活性材料。在此，例如在加工锂离子电池电芯时对于阳极应用以天然的或合成的石墨为基础的材料并且对于阴极使用由不同的锂-金属-氧化物组成的组合。例如，在制造电极时对于阳极应用铜，且对于阴极制造应用铝作为基质。在此，所使用的基质的厚度通常在约10μm的范围中。在制造用于电池电芯的电极时，被施加的活性材料层根据电芯的设计方案具有在约20μm至200μm之间的厚度。

此外，本发明涉及一种用于湿式涂覆基质的装置，其包括带有至少一个喷嘴的喷头、测量装置和干燥器，其中，喷头包括至少两个喷嘴并且设有调节设备，该调节设备设定成根据层厚度的测量相对于其它喷嘴独立地调节在喷头的每个喷嘴中的压力。

在装置的实施方式中，调节设备此外设定成用于根据测量位置使层厚度的测量与喷嘴相关联。

此外，在这种关联性中优选的是，用于每个喷嘴的调节设备实现特有的调节器，其输入值包括在被分配给喷嘴的测量位置上的层厚度测量以及理论层厚度。调节器的输出值包括至少一个用于控制在被分配给该调节器的喷嘴中的压力的调节信号。

在装置的一个实施方式中，测量装置布置在干燥器之前。

此外，为了可操纵多个测量位置，测量装置可实施成可动的测量头，其在基质的宽度上运动，或者可布置多个分布在基质的宽度上的固定地安装的测量头。

在装置的实施方式中，喷头的喷嘴分别被分配一个压力调节阀，该压力调节阀设定成用于调节在相应的喷嘴中的压力。

在此，用于涂覆的材料、确切地说浆状物通过输送装置在压力下被引入喷头中并且在该处容纳在压力容器中。使压力容器与喷头的喷嘴相连接的输送管路从压力容器处分支出来。在此，该压力调节阀布置在该输送管路上并且使得可以独立于其它喷嘴地调整在每个喷嘴中的压力。

本发明的优点

通过在喷头上设置多个其压力可彼此独立地调节的涂覆喷嘴，可实现精确地调节在基质上的层涂敷。一方面，在此可改进在基质的整个宽度上的覆层的均匀性，另一方面，实现在大的范围、例如从20μm至200μm的理论层厚度的调整，而不必在喷头处进行结构改变。由于理论层厚度的改变在材料涂敷中出现的不均匀性，可有目的地通过调节在相关的喷嘴中的压力进行平衡。由此，可保证与理论层厚度相比通常需要的极小的典型地<1μm的允许偏差。

此外，通过在干燥之前测量被施加的层的厚度，明显减小了在覆层的施加和被施加的层的厚度的测量之间的时间上的迟滞。这一方面简化了自动调节系统的转换，因为在小的时间迟滞时这种调节系统可更好地反应。另一方面，减小了废品量，因为可直接在涂覆之后识别出层厚度位于预定的公差范围之外的被涂覆的基质，而不是在与干燥器的长度有关的10m至30m之后以不合适的参数涂覆了基质之后才识别出来。

附图说明

附图中：

图1从一侧示出了涂覆装置的示意图，

图2示出了在基质上的层的不均匀的涂敷，

图3从上方示出了层厚度测量的示意图，以及

图4示出了喷头的示意图，该喷头被划分成多个可彼此独立地调节的区域。

具体实施方式

本发明的实施例在随后的附图中示出并且在相关的描述中进行详细解释。

图1从上方示出了涂覆装置的示意图。

在图1中示出了涂覆装置10，在其中，基质12通过多个辊16被引导。在此，基质12沿着输送装置14被引导并且首先到达第一喷头20。该喷头20包括喷嘴，通过该喷嘴将材料以层18的形式施加到基质12上。在此，该材料被溶解在溶剂中并且以浆状物的形式存在，也就是说以可流动的糊状物的形式存在，并且借助于喷头20湿式地被涂敷到基质12上。

在制造用于锂离子电池电芯的电极的情况中，应用金属膜作为基质12，其厚度在约2μm至约20μm之间、尤其约为10μm。在制造阳极时，通常使用铜膜，并且在制造阴极时通常使用铝膜。在制造阳极的情况中，用于涂覆金属膜的材料以天然的和/或合成的石墨为基础，并且通常溶解在水基的溶剂中。在制造阴极时，该材料通常以由不同锂-金属-氧化物组成的组合为基础，其例如溶解在以N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为基础的溶剂中。

湿式地被涂敷到基质12上的材料层的厚度与电池电芯的设计方案相关并且典型地在20μm至200μm之间。在此，对于电池的质量来说最重要的是，层涂敷是均匀的并且与理论值偏差非常小。典型地来说要求与理论值的偏差小于1μm。

在涂敷层18之后，基质12到达测量头22，利用该测量头22获得湿层厚度26。紧接着，将层18与基质12一起输送到干燥器30，根据基质12的输送速度该干燥器30具有在约10m至30m之间的长度。在干燥器30中，所使用的溶剂从层18中蒸发。

作为在干燥器30之前的测量头22的附加或备选，测量头24布置在干燥器30之后，利用该测量头24测得层18的干燥层厚度28。在图1中示出的实施方式中，使用分别一个单独的测量头22、24，其在基质12的整个宽度上运动以获取在基质12的整个宽度上的层厚度。备选地也可行的是，代替单个的可动地布置的测量头22、24，应用多个静态地布置的测量头，其在基质12的宽度上分布地布置。

通过测量头22、24获得的层厚度26、28可用于将层18的厚度调节到预定的理论层厚度上。为此，可根据测得的层厚度26、28来匹配湿式涂覆方法的过程参数、尤其是在喷头20的喷嘴中的压力。湿式涂覆方法的其它可匹配的过程参数例如包括喷嘴相对于基质12的距离、基质12的输送速度和所使用的喷嘴的几何结构。此外可设想，作为参数改变浆状物的成分、即，用于涂覆基质的材料的成分。该材料成分对该材料的粘度产生影响，粘度又对被涂敷的层的厚度有影响。

当期望的理论层厚度从例如20μm转换到200μm时，仅仅增大被输送的材料量通常是不够的，因为在压力过高或浆状物的粘度过高时材料是以更大的层厚度涂敷在基质的中心。为了均匀地涂覆，在喷头20中布置多个喷嘴，其分别彼此独立地被调节。如有可能，此外必须匹配其它参数，例如基质的输送速度。

为了实现调节，涂覆装置10此外还包括调节设备42，其与测量装置22、24和喷头20处于连接中。在此，调节设备42可为喷头20的每个喷嘴实现特有的调节回路或调节器。

图2示出了在基质上的不均匀的层涂敷。

在图2中示出了其上施加有层18的基质12。在此，层18不均匀地被涂敷到基质12上，从在而层18的区域19中层厚度小于在剩余区域中。例如当在喷嘴中的涂覆材料、确切地说浆状物的压力过高时，在湿式涂覆方法中可能出现在层涂敷中的该不均匀性。而且在浆状物的粘度过高时，材料趋向于以较大的层厚度涂敷在基质的中心。如果尽管如此仍以高压力涂覆基质12，例如以实现大的层厚度，那么在从现有技术中已知的方法中，必须在喷头处进行结构改造，以便材料即使在高压下也均匀地从喷头中离开。

在根据本发明的喷头中设置多个喷嘴，在其中，可相互独立地调节涂覆材料的压力。通过可彼此独立地调节压力的喷嘴，材料即使在更高的压力下也可通过共同的储备容器提供并且尽管如此仍可确保均匀的材料涂敷。

图3示意性地示出了层厚度的测量。

在图3中，详细示出了涂覆装置的局部。该局部示出了测量头22、24，其可动地布置并且可在基质12的整个宽度上运动，如通过以附图标记44的箭头指出的那样运动。带有被施加的层18的基质12在输送方向14上在测量头22、24以下运动。与测量头22、24的运动共同得到在此处进行层厚度测量的区域的三角形的伸延。该区域通过以附图标记46表示的线标记出来。在被测量的区域46中，可确定不同的测量位置48，其以在基质12的宽度上分布的方式布置。在图3中示出的实施方式中，预定了三个测量位置48，其分别被分配给喷头的一个用于实现调节的喷嘴。根据喷头的实施方案和在喷头中的可独立调节的喷嘴的数量，可不同地选择测量位置48的数量。此外，也可设想，为了调节的目的将多个测量位置48分配给喷头的一个喷嘴。

在图3中示出的测量装置可布置在涂覆装置的干燥器30之前，以仍然在湿的状态中获得层18的厚度。备选地或附加地可行的是，该测量装置布置在干燥器之后，以用于测量经过干燥的层的厚度。此外可行的是，代替可动地实施的测量头22、24，也可设置多个在基质12的宽度上分布的静态的测量头。

图4示出了喷头的示意图。

在图4中，示出了带有三个喷嘴32的喷头20。材料、确切地说浆状物可通过喷嘴32离开并且作为层18被施加到基质12上。该涂覆材料通过输送装置40输送到压力储存器38。喷头20的各个喷嘴32通过分别一个特有的输送区域34与压力储存器38相连接。在此，在输送区域34和压力储存器38之间的连接部上分别布置一个压力调节阀36。

该压力调节阀36可通过调节设备的信号控制。通过带有共同的压力储存器38、然而对于每个喷嘴32分离的输送区域34的布置方案，在各个喷嘴32处的浆状物的压力可分别通过压力调节阀36完全独立于其它喷嘴地进行调整。

除了在图4中示出的带有三个喷嘴32的实施方式，显然也可实现带有不同数量的喷嘴的其它实施方式。

Claims (11)

1.一种用于湿式涂覆基质(12)的方法，其中，利用喷头(20)在所述基质(12)上涂敷层(18)并且在所述涂敷之后使所述层(18)干燥，其特征在于，所述喷头(20)包括至少两个喷嘴(32)，测量被涂敷的层(18)的层厚度(26、28)并且根据所述测得的层厚度(26、28)进行涂敷调节，其中，在每个喷嘴(32)中的压力相对于其它喷嘴(32)独立地被调节。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在至少两个在所述基质(12)的宽度上分布的测量位置(48)上测量所述层厚度(26、28)，其中，一个测量位置(48)被分配给所述喷头(20)的一个喷嘴(32)。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量位置(48)布置在这样的部位处，即，在该处由于所述喷嘴(32)的几何结构希望得到在平均厚度之上或之下的层厚度(26、28)。

4.按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用至少一个调节回路，其作为输入值包括理论层厚度和测得的层厚度(26、28)，并且作为输出值产生用于所述喷头(20)的喷嘴(32)的压力的控制信号。

5.按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在干燥之前测量所述被涂敷的层(18)的层厚度(26)。

6.按照权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，通过控制输送材料的泵和/或通过控制压力调节阀(36)实现压力的调节。

7.按照权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述被涂覆的层(18)是用于电池的电极的活性材料。

8.一种用于湿式涂覆基质(12)的装置(10)，其包括带有至少一个喷嘴(32)的喷头(20)、测量装置(22、24)和干燥器(30)，其特征在于，所述喷头包括至少两个喷嘴(32)并且设有调节设备(42)，该调节设备能够根据所述层厚度(26、28)的测量相对于其它喷嘴(32)独立地调节在每个喷嘴(32)中的压力。

9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，所述调节设备(42)还能够根据测量位置(48)使所述层厚度(26、28)的测量与喷嘴(32)相关联。

10.按照权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述测量装置(22)布置在所述干燥器(30)之前。

11.按照权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷嘴(32)分别被分配一个压力调节阀(36)，所述压力调节阀(36)能够调节在相应的喷嘴(32)中的压力。

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